一种用于5G手机终端的12单元宽带自隔离MIMO天线

一种用于5g手机终端的12单元宽带自隔离mimo天线
技术领域
1.本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种用于5g手机终端的12单元宽带自隔离mimo天线。


背景技术：

2.随着5g通信技术的快速发展，多输入多输出(mimo)天线系统近年来引起了人们的广泛研究和关注。在目前的手机终端中，手机天线已经由原来的外置单极子天线演变为内置天线，人们对于手机的功能和其他需求也要求越来越高，这就导致要在狭小的手机空间内布置大容量电池，多个摄像头以及其他电子元器件。为了提高移动终端数据传输速率，移动终端mimo天线的数目要足够多，至少要达到6个(甚至8个以上)，如华为mate30(5g版)手机内部就布置了21根天线。因此，在如此小的空间内要布置这么多根天线，天线单元之间难免会相互耦合互相影响，这样严重的耦合肯定会影响天线的辐射性能使天线达不到预期的工作效果。
3.虽然mimo天线系统可以提高系统的信道容量，但由于手机终端的内部空间有限，在如此狭小的空间内布置这么多根天线难免天线单元之间会存在严重的耦合问题。因此如何降低mimo天线系统中各天线单元之间相互耦合以及在空间有限的移动设备上设计出宽带宽和良好隔离性能的天线系统是目前亟待解决的问题。以往的一些主流的去耦技术，比如：加中和线和去耦网络；加电磁带隙结构去耦；加寄生谐振单元去耦等等。虽然也能使天线单元之间实现高隔离，但引入了额外的去耦结构难免会使天线单元的辐射效率有所降低，而且在目前紧凑的手机空间内也是应当予以避免的。自解耦技术是在不引入有损外部去耦结构的情况下对mimo天线阵列进行内部去耦，并且不牺牲天线的其他性能指标，在隔离度和效率之间取得平衡。本发明所提出的自隔离mimo天线系统不需要引入额外的去耦结构也可以实现宽带自隔离。


技术实现要素：

4.为了解决现有mimo天线设计中各单元之间存在的互耦问题，本发明提出了一种用于5g手机终端的12单元宽带自隔离mimo天线，在不引入外部解耦结构的基础上，可以使各天线单元在宽频带范围内均保持良好隔离性能，以及mimo天线良好的分集性能。
5.本发明的核心思路是基于pifa天线单元以及t形单极子天线，将两个pifa单元合并构成pifa天线对，两个pifa单元之间具有自隔离特性。进而在端口1和端口2之间的地板上开缝隙，以达到阻断端口间耦合电流的目的。引入t形单极子天线与pifa天线对正交放置。可以使各天线单元在宽频带范围内均保持高于10db的良好隔离性能，包络相关系数(eccs)均小于0.17，各天线单元的辐射效率在51％-96％之间，具有良好的mimo天线性能。
6.为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
7.一种用于5g手机终端的12单元宽带自隔离mimo天线，其特征在于，包括fr-4介质基板、pifa天线对、t形单极子天线、同轴馈线、50ω的sma接头；
8.fr-4介质基板，包括一个大介质基板以及紧贴设置于大介质基板两个长边边沿上的小介质基板ⅰ和小介质基板ⅱ；
9.pifa天线对，设置有四个，分别置于大介质基板的四角处，紧贴设置于小基板一侧；
10.t形单极子天线，与pifa天线对正交放置；
11.同轴馈线，与fr-4介质基板介质基板连接，用于给微带天线辐射单元馈电。
12.进一步地，所述大介质基板的尺寸为150mm
×
75mm
×
0.8mm，小介质基板ⅰ和小介质基板ⅱ的尺寸为150mm
×
7mm
×
0.8mm。
13.进一步地，所述pifa天线对由两个pifa单元合并组成，这两个pifa单元之间具有自隔离性，且每个pifa单元上开设有一个“十”字形槽。
14.进一步地，所述“十”字形槽包括两个相互垂直且贯通的矩形槽口，其内设置有一个t形单极子天线，该t形单极子天线与pifa天线对正交设置。
15.进一步地，所述“十”字形槽中横向设置的矩形槽口长和宽为13.5mm
×
1.3mm，竖向设置的矩形槽口宽为0.4mm。
16.进一步地，所述pifa天线对的尺寸为30mm
×
6.2mm。
17.进一步地，所述t形单极子天线的臂长为17mm，臂宽为1.75mm。
18.进一步地，所述大介质基板上还设置有若干个端口，且每三个端口为一组，四组端口分别设置于大介质基板的边角处；每组端口之中靠近大介质基板长边的两个端口之间的地板上开设有缝隙，用于隔断地板耦合电流。
19.进一步地，所述端口数量为6个、12个或18个。
20.进一步地，所述端口均采用50ω同轴馈电。
21.本发明的有益效果是：
22.本发明提出了一种用于5g手机终端的12单元宽带自隔离mimo天线，其具有高的辐射效率和良好的分集性能以及高的隔离度可以覆盖目前5g nr频段n77/n78/n79以及wifi频段(5150-5850mhz)，适于推广到现有的5g智能手机终端中应用，其与现有技术相比，具有以下优点：
23.第一，本发明采用了目前手机天线中应用最广泛的单极子天线和倒f天线，结构简单，可以覆盖很宽的频带范围，各端口之间有较高的隔离度，且有良好的分集性能；
24.第二，本发明中pifa天线对之间通过接地枝节将耦合电流导向地板来减弱耦合，t形单极子天线和pifa天线对之间利用正交模式去耦合使其最大辐射方向指向不同区域即天线单元的方向图不重叠来实现天线单元之间的高隔离度，故而各天线单元之间均无需引入额外的去耦元件；
25.第三，本发明采用印刷天线的结构，均印制在介质基板上，结构简单紧凑，加工方便，成本低，适于推广。
附图说明
26.图1为本发明所提12
×
12mimo天线；
27.图2为本发明中3单元mimo天线的侧视图；
28.图3为本发明中3单元mimo天线的俯视图；
29.图4为本发明平面倒f天线对在3.6ghz处的表面电流分布模式图；
30.图5为本发明平面倒f天线对在4.58ghz处的表面电流分布模式图；
31.图6为本发明平面倒f天线对在5.7ghz处的表面电流分布模式图；
32.图7为本发明t形单极子天线在3.58ghz处的表面电流分布模式图；
33.图8为本发明t形单极子天线在5.95ghz处的表面电流分布模式图；
34.图9为本发明端口1供电时天线的三维辐射方向图；
35.图10为本发明端口3供电时天线的三维辐射方向图；
36.图11为本发明12单元mimo天线的反射系数(s11，s22，s33，s44，s55，s66，s
77
，s
88
，s
99
，s
1010
，s
1111
，s
1212
)；
37.图12为本发明12单元mimo天线的反射系数(s
21
，s
32
，s
42
，s
82
，s
93
)。
38.图13为本发明12单元mimo天线的包络相关系数(eccs)曲线图。
39.图中标号为：1-pifa天线对、2-大介质基板、3-小介质基板ⅰ、4-同轴馈电的端口、5-t形单极子天线、6-小介质基板ⅱ、7-缝隙、8
‑“
十”字形槽、9-pifa天线对的接地枝节。
具体实施方式
40.为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。
41.本发明提出一种用于5g手机终端的12单元宽带自隔离mimo天线，包括：fr-4介质基板(εr＝4.4，tanθ＝0.025)，其中εr为介质基板的介电常数，θ为介质损耗角，所述fr-4介质基板包括一个尺寸为150mm
×
75mm
×
0.8mm的大介质基板2、两个150mm
×
7mm
×
0.8mm的小介质基板ⅰ3和小介质基板ⅱ6，所述两个小介质基板被正交地紧贴放置在大介质基板2的两个长边边沿上。
42.pifa天线对1，紧贴着小介质基板ⅰ和小介质基板ⅱ6放置。在pifa天线单元上，开设有一个“十”字形槽8用于展宽带宽。且每个pifa天线对1由两个pifa单元合并而成，两个pifa单元之间具有自隔离特性。并且本发明中设有8个pifa单元，pifa单元两两合并，共有4个pifa天线对1，其分别并放置于大介质基板2的四角处。所述pifa天线对1之间通过pifa天线对的接地枝节9将耦合电流导向地板来减弱耦合。
43.经参数仿真优化后，本发明将小介质基板ⅰ3和小介质基板ⅱ6的高度定为7mm；pifa天线对1的尺寸定为30mm
×
6.2mm；pifa单元上开设的“十”字形槽8尺寸为13.5mm
×
1.3mm，宽0.4mm，其包括相互垂直的两个矩形槽口，横向设置的矩形槽口长和宽为13.5mm
×
1.3mm，竖向设置的矩形槽口宽为0.4mm；与pifa天线对1正交放置的t形单极子天线5的臂长为17mm，臂宽为1.75mm。
44.如附图1和3所示，在所述大介质基板2上还设置有若干个端口4，如图3所示，大介质基板2上设置有三个端口：端口1、端口2、端口3。
45.优选地，所述端口4包括端口1、端口2、端口3、端口4、端口5、端口6、端口7、端口8、端口9、端口10、端口11和端口12，且每三个端口为一组，四组端口分别设置于所述大介质基板的四角处；端口1和端口2，端口4和端口5，端口7和端口8，端口10和端口11之间的地板(即大基板背面)上开设有缝隙7，用来隔断地板耦合电流，进而引入t形单极子天线5与pifa天线对1正交放置；
46.上述的各端口均采用50ω同轴馈电，所述同轴馈线是从接地板上打一个过孔贯通介质基板到微带贴片上，然后将馈电探针通过过孔给微带天线辐射单元馈电。馈电探针和同轴线的内导体是相连，而同轴的外导体是与接地面相连接的。
47.从图4-图10所示的天线单元在各频点处的表面电流分布模式以及三维辐射方向图可以得出，pifa天线对1与t形单极子天线5被激励的电流模式互相正交，获得了一个最大辐射方向指向不同区域的辐射方向图，使得mimo天线各单元的方向图不重叠，从而实现天线单元之间的高隔离度，不需要引入额外的去耦元件。
48.从图11中可以看出s参数(s
11
，s
22
，s33，s
44
，s
55
，s
66
，s
77
，s
88
，s
99
，s
1010
，s
1111
，s
1212
)在3.1ghz-6.5ghz频带范围内均小于-6db,从图12可以看出，端口1和端口2，端口3和端口2，端口4和端口2，端口8和端口2，端口9和端口3之间的隔离度(s
21
，s
32
，s
42
，s
82
，s
93
)在3-6.5ghz内均大于10db,具有良好的宽带隔离特性。并且从图11可以看出，本发明所提出的mimo天线可以覆盖5g nr频段n77/n78/n79以及wifi频段(5150-5850mhz)。
49.图13为本发明所提12单元mimo天线的包络相关系数(eccs)，从图中可以看出其包络相关系数均小于0.17，故该mimo天线系统具有良好的分集性能。经过模拟仿真得出该天线系统各端口的辐射效率也都在51％-96％之间，结果如表1所示，从表1中可以看出其具有良好的辐射特性。
50.表1
[0051][0052]
本发明所述mimo天线的端口数量可以为6，12或18。
[0053]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。